DE102015109044A1 - Bauteil zum Detektieren elektromagnetischer Strahlung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Bauteil (10; 30), umfassend eine erste Funktionsschicht (12; 32), innerhalb der mindestens ein erstes Element ausgebildet ist, mittels dem elektromagnetische Strahlung (14; 34) aus einem ersten Wellenlängenbereich detektierbar ist, wobei die erste Funktionsschicht (12; 32) auf einer Seite eines Substrates (11; 31) abgeschieden ist. Auf der gegenüberliegenden Seite des Substrates (11; 31) ist eine zweite Funktionsschicht (13; 33) abgeschieden, innerhalb der mindestens ein zweites Element ausgebildet ist, mittels dem entweder elektromagnetische Strahlung (15) aus einem zweiten Wellenlängenbereich detektierbar ist, wobei die erste Funktionsschicht (12) und das Substrat (11) transparent bezüglich elektromagnetischer Strahlung (15) aus dem zweiten Wellenlängenbereich sind oder mittels dem elektromagnetische Strahlung (35) aus einem zweiten Wellenlängenbereich emittierbar ist.
Description
- Die Erfindung betrifft Bauteile zum Detektieren elektromagnetischer Strahlung, mit denen sowohl multispektrale Sensoren als auch Sensor-Emitter-Systeme realisiert werden können. Unter einem multispektralen Sensor soll ein Bauteil verstanden werden, mit welchem elektromagnetische Strahlung aus mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen detektiert werden kann und unter einem Sensor-Emitter-System soll ein Bauteil verstanden werden, welches sowohl mindestens ein elektromagnetische Strahlung detektierendes Element als auch mindestens ein elektromagnetische Strahlung emittierendes Element umfasst.
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DE 10 2006 030 541 A1 beschreibt ein Sensor-Emitter-System, bei der sich elektromagnetische Strahlung emittierende Elemente und elektromagnetische Strahlung detektierende Elemente gemeinsam nebeneinander auf einem Chip befinden. Dabei können beide Elementarten in einer Matrix auf dem Chip angeordnet sein. Nachteilig wirkt sich hierbei aus, dass die unmittelbar angrenzende Anordnung von elektromagnetische Strahlung emittierenden Elementen und elektromagnetische Strahlung detektierenden Elementen zum Überkoppeln führt. - Aus
WO 2012/163312 A1 WO 2012/163312 A1 - Fungieren die lichterzeugenden Bildelemente einer bidirektionalen Vorrichtung als Display, stoßen die in
WO 2012/163312 A1 - Insbesondere die Inaktivität der lichterzeugenden Bildelemente während einer Belichtungszeit von lichterfassenden Elementen, die für eine gute Signalqualität eine bestimmte Länge erfordert, kann zu wahrnehmbaren Bildstörungen, mindestens aber zu einem sichtbaren Helligkeitsverlust führen. Die Sensitivität der Detektorelemente wiederum kann nicht beliebig gesteigert werden, da bei Displayanwendungen immer höhere Auflösungen gefordert werden, wobei die verwendete Chipfläche aus Kostengründen möglichst gering bleiben soll, so dass damit der Platz für Detektorelemente bzw. schaltungstechnische Maßnahmen zum Steigern derer Sensitivität stark eingeschränkt sind.
- Ein weiteres Problem bekannter Sensor-Emitter-Systeme, bei denen Strahlung detektierende Elemente und Strahlung emittierende Elemente nebeneinander angeordnet sind, stellt der geringe Füllgrad bezüglich der beiden Funktionen dar. D.h., sowohl für das Detektieren als auch für das Emittieren von Strahlung steht nur ein relativ geringer Oberflächenbereich eines solchen Sensor-Emitter-Systems zur Verfügung, weil die anderen Oberflächenbereiche durch Elemente der jeweils anderen Funktion bzw. durch Flächenbereiche, die für das Verdrahten der Elemente benötigt werden, bedeckt sind.
- Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Bauteil zu schaffen, mit dem die Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden können. Insbesondere sollen sich mit einem erfindungsgemäßen Bauteil multispektrale Sensoren realisieren lassen, mittels denen elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlängenbereiche detektierbar ist als auch Sensor-Emitter-Systeme, die einen hohen Füllgrad bezüglich der Funktion des Detektierens als auch bezüglich der Funktion des Emittierens elektromagnetischer Strahlung aufweisen.
- Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
- Bei einem erfindungsgemäßen Bauteil sind die Elemente, die Funktionen des Detektierens oder des Emittierens elektromagnetischer Strahlung realisieren nicht nebeneinander innerhalb einer Schicht angeordnet, sondern für alle Elemente die ein und dieselbe Funktion realisieren, ist jeweils eine separate Funktionsschicht ausgebildet, wobei die einzelnen Funktionsschichten übereinander liegend angeordnet sind. Auf diese Weise kann für die Elemente, die eine Funktion realisieren, ein gegenüber dem Stand der Technik erhöhter Füllgrad erzielt werden.
- Ein erfindungsgemäßes Bauteil umfasst daher eine erste Funktionsschicht, innerhalb der mindestens ein erstes Element ausgebildet ist, mittels dem elektromagnetische Strahlung aus einem ersten Wellenlängenbereich detektierbar ist, wobei die erste Funktionsschicht auf einer Seite eines Substrates abgeschieden ist. Bevorzugt weist die erste Funktionsschicht eine Vielzahl von elektromagnetische Strahlung detektierenden ersten Elementen auf, die vorzugsweise rasterförmig über die erste Funktionsschicht verteilt angeordnet sind. Als Detektorelement sind alle Bauelemente geeignet, die innerhalb einer Funktionsschicht ausgebildet werden können und mit denen elektromagnetische Strahlung detektierbar ist. So kann ein Detektorelement beispielsweise als Fotodiode oder als Foto-Feldeffekttransistor ausgebildet sein. Mit diesen Detektorelementen der ersten Funktionsschicht kann beispielsweise elektromagnetische Strahlung aus dem Bereich der Infrarotstrahlung, dem Bereich der Strahlung, der mit einem menschlichen Auge erfassbar ist, dem Bereich der Röntgenstrahlung oder aus dem Bereich der Ultraviolettstrahlung erfasst werden. Ein erfindungsgemäßes Bauteil umfasst außerdem eine zweite Funktionsschicht, innerhalb der mindestens ein zweites Element ausgebildet ist, mittels dem entweder elektromagnetische Strahlung aus einem zweiten Wellenlängenbereich detektierbar ist, wobei die erste Funktionsschicht und das Substrat transparent bezüglich elektromagnetischer Strahlung aus dem zweiten Wellenlängenbereich sind oder aber es ist mittels des zweiten Elements elektromagnetische Strahlung aus einem zweiten Wellenlängenbereich emittierbar. Dabei ist die zweite Funktionsschicht auf der Seite des Substrates abgeschieden, die der ersten Funktionsschicht gegenüber liegt. Bevorzugt weist auch die zweite Funktionsschicht eine Vielzahl von zweiten Elementen auf, die entweder alle eine elektromagnetische Strahlung detektierende oder alle eine elektronmagnetische Strahlung emittierende Funktion ausführen. Auch die Vielzahl zweiter Elemente ist vorzugsweise rasterförmig über die Fläche der zweiten Funktionsschicht verteilt angeordnet. Der zweite Wellenlängenbereich kann beispielsweise aus dem Bereich der Infrarotstrahlung, dem Bereich der Strahlung, der mit einem menschlichen Auge erfassbar ist, dem Bereich der Röntgenstrahlung oder aus dem Bereich der Ultraviolettstrahlung ausgewählt sein.
- Eine Funktionsschicht, die elektromagnetische Strahlung detektierende Elemente umfasst, wird nachfolgend auch als Detektor-Schicht oder verkürzt als Detektor bezeichnet und eine Funktionsschicht, welche elektrische Strahlung emittierende Elemente umfasst, als Emitter-Schicht oder verkürzt als Emitter.
- Wenn die erste Funktionsschicht und die zweite Funktionsschicht jeweils als Detektor ausgebildet sind, unterscheidet sich der erste Wellenlängenbereich vorzugsweise vom zweiten Wellenlängenbereich. Mittels eines solchen erfindungsgemäßen Bauteils kann dann elektromagnetische Strahlung, die von der Seite der ersten Funktionsschicht auf das Bauteil einfällt, in zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen detektiert werden.
- Bevorzugt bestehen die erste Funktionsschicht und die zweite Funktionsschicht aus einem organischen Material. Verfahrensschritte zum Ausbilden von Elementen (innerhalb einer organischen Schicht) mit denen elektromagnetische Strahlung detektiert oder elektromagnetische Strahlung emittiert werden kann, sind bekannt. Bei einer Ausführungsform umfasst das organische Material, aus welchem die erste Funktionsschicht und/oder die zweite Funktionsschicht besteht, auch noch Nanopartikel, welche innerhalb des organischen Materials eingelagert sind. Derartige Nanopartikel können beispielsweise als sogenannte Quantum-Nanopartikel (auch als Quantum-Nano-Dots oder verkürzt als QND bezeichnet) ausgebildet sein. Als Substratmaterial sind Kunststoffe oder Gläser geeignet. Bevorzugt wird jedoch als Substrat eines erfindungsgemäßen Bauteils ein Halbleitersubstrat (beispielsweise ein Siliziumsubstrat) verwendet.
- Bei einer Ausführungsform sind innerhalb des Substrats eine Schaltungsstruktur, bestehend aus aktiven Bauelementen (wie beispielsweise eine CMOS-Struktur) sowie mindestens eine Verbindungsebene, bestehend aus einer Vielzahl von Leiterbahnen, ausgebildet. Ebenfalls weist das Halbleitersubstrat mindestens eine Durchkontaktierung auf, mittels der ein Detektorelement oder ein Emitterelement aus einer Funktionsschicht mit einer Leiterbahn der Verbindungsebene innerhalb des Substrates elektrisch leitend verbunden ist.
- Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Fig. zeigen:
-
1 eine schematische Schnittdarstellung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Bauteils mit zwei Detektoren; -
2 eine schematische Schnittdarstellung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Bauteils mit zwei Detektoren und einem als Detektor ausgebildeten Substrat; -
3 eine schematische Schnittdarstellung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Bauteils mit einem Detektor und einem Emitter; -
4 eine schematische Schnittdarstellung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Bauteils mit einem Detektor und einem Emitter sowie einem als Detektor ausgebildetem Substrat. - In
1 ist ein erfindungsgemäßes Bauteil10 in einem Schnitt schematisch dargestellt. Das Bauteil10 umfasst ein Substrat11 , auf dessen einen Seite eine erste Funktionsschicht12 und auf dessen anderen Seite eine zweite Funktionsschicht13 abgeschieden sind. Beide Funktionsschichten12 und13 bestehen aus einem organischen Material. Innerhalb der Funktionsschicht12 ist eine Vielzahl von in1 nicht dargestellten ersten Fotodioden ausgebildet, die rasterförmig über die Fläche der Funktionsschicht12 verteilt angeordnet sind und mittels denen elektromagnetische Strahlung14 aus einem ersten Wellenlängenbereich, wie beispielsweise dem Ultraviolett-Wellenlängenbereich, detektierbar ist. Die Funktionsschicht12 ist somit als Detektor für UV-Strahlung ausgebildet. - Innerhalb der Funktionsschicht
13 ist eine Vielzahl von in1 ebenfalls nicht dargestellten zweiten Fotodioden ausgebildet, die rasterförmig über die Fläche der Funktionsschicht13 verteilt angeordnet sind und mittels denen elektromagnetische Strahlung15 aus einem zweiten Wellenlängenbereich, wie beispielsweise dem Infrarot-Wellenlängenbereich, detektierbar ist. Die Funktionsschicht13 ist somit ebenfalls als Detektor aber diesmal für IR-Strahlung ausgebildet. Das Substrat11 und die Funktionsschicht12 sind außerdem transparent gegenüber IR-Strahlung. Mit dem Bauteil10 kann somit sowohl UV-Strahlung als auch IR-Strahlung detektiert werden, die von der Seite der Funktionsschicht12 auf das Bauteil10 einstrahlt. - Das Substrat
11 besteht aus einem Siliziummaterial, das bereits eine CMOS-Struktur und somit eine Logikschaltung umfasst, welche für das Ansteuern der innerhalb der Funktionsschichten11 und12 ausgebildeten Fotodioden verwendet wird. Auf der Seite des Substrates11 , die an die Funktionsschicht12 angrenzt, ist eine in1 ebenso nicht dargestellte Verdrahtungsebene ausgebildet, mit deren Leiterbahnen die Kontakte der in den Funktionsschichten ausgebildeten Fotodioden verschaltet werden. Dabei sind die in der Funktionsschicht12 ausgebildeten Fotodioden direkt mit den angrenzenden Leiterbahnen der Verdrahtungsebene kontaktiert, während die innerhalb der Funktionsschicht13 ausgebildeten Fotodioden mittels sogenannter Through-Silicon-Vias (nachfolgend als „TSVs“ bezeichnet) durch das Substrat11 hindurch mit den Leiterbahnen der Verdrahtungsebene kontaktiert sind. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass Verfahrensschritte zum Ausbilden einer Schaltungsstruktur aus aktiven Bauelementen und einer Verdrahtungsebene innerhalb eines Substrates aus einem Halbleitermaterial sowie Verfahrensschritte zum Ausbilden von Kontaktierungen durch ein solches Substrat hindurch bekannt sind. - Das Verwenden der Verdrahtungsebene eines Substrates für das Verschalten von Fotodioden innerhalb übereinander angeordneter Funktionsschichten ermöglicht einen hohen Füllfaktor einer jeden Funktionsschicht mit elektromagnetische Strahlung detektierenden Elementen gegenüber bekannten optoelektronischen Bauteilen, bei denen die Verdrahtung innerhalb der Funktionsschicht selbst erfolgt. Mit dem Bauteil
10 wurde somit ein multispektraler Sensor mit einem gegenüber dem Stand der Technik erhöhten Auflösungsgrad realisiert. -
2 zeigt einen alternativen multispektralen Sensor20 , der zunächst alle Merkmale des multispektralen Sensors10 aus1 aufweist. Zusätzlich sind jedoch beim multispektralen Sensor20 innerhalb des Substrates11 eine Vielzahl von in2 nicht dargestellten dritten Fotodioden ausgebildet, die rasterförmig über die Fläche des Substrates11 verteilt angeordnet sind und mittels denen elektromagnetische Strahlung26 aus dem Wellenlängenbereich, der mit einem menschlichen Auge erfasst werden kann, detektierbar ist. Das Substrat11 ist somit auch noch als Detektor für elektromagnetische Strahlung aus einem dritten Wellenlängenbereich ausgebildet. Verfahrensschritte für das Ausbilden von Fotodioden innerhalb eines Halbleitersubstrates sind ebenfalls bekannt. Die Verschaltung der dritten Fotodioden innerhalb des Substrates11 erfolgt ebenfalls mittels der Verdrahtungsebene, die an einer Seite des Substrates11 ausgebildet ist, wie es bereits zu1 beschrieben wurde. Mit einem multispektralen Sensor20 können somit elektromagnetische Strahlen dreier verschiedener Wellenlängenbereiche detektiert werden, die von der Seite das Bauteil20 beaufschlagen, an welcher die Funktionsschicht12 abgeschieden ist. Hierfür ist es zusätzlich noch erforderlich, dass die Funktionsschicht12 transparent gegenüber der elektromagnetischen Strahlung ausgebildet ist, die mit den dritten Fotodioden innerhalb des Substrates11 detektiert wird. - In
3 ist ein weiteres alternatives erfindungsgemäßes Bauteil30 schematisch dargestellt, welches als Sensor-Emitter-System ausgebildet ist. Das Bauteil30 umfasst ein Substrat31 aus einem Halbleitermaterial auf Siliziumbasis, innerhalb dem bereits eine CMOS-Struktur, eine Verdrahtungsebene und TSVs-Durchkontaktierungen ausgebildet sind, so wie es zu Substrat11 aus1 beschrieben wurde. Auf einer Seite des Substrates31 ist eine erste Funktionsschicht32 aus einem organischen Material abgeschieden, innerhalb der eine Vielzahl von in3 nicht dargestellten ersten Fotodioden ausgebildet sind, die rasterförmig über die Fläche der Funktionsschicht32 verteilt angeordnet sind und mittels denen elektromagnetische Strahlung34 aus einem ersten Wellenlängenbereich, wie beispielsweise dem Infrarot-Wellenlängenbereich detektierbar ist. Die Funktionsschicht32 ist somit als Detektor für IR-Strahlung ausgebildet. Die Fotodioden innerhalb der Funktionsschicht32 sind mit den Leiterbahnen der Verdrahtungsebene des Substrates31 kontaktiert und werden mittels der innerhalb des Substrates31 ausgebildeten CMOS-Schaltung angesteuert. - Auf der anderen Seite des Substrates
31 ist eine zweite Funktionsschicht33 aus einem organischen Material abgeschieden. Innerhalb der Funktionsschicht33 ist eine Vielzahl von in1 nicht dargestellter Leuchtdioden ausgebildet, die rasterförmig über die Fläche der Funktionsschicht12 verteilt angeordnet sind und mittels denen elektromagnetische Strahlung35 dem Wellenlängenbereich, der mit einem menschlichen Auge erfassbar ist, emittiert. Die Funktionsschicht33 ist somit als Emitter ausgebildet. Mittels den im Substrat31 ausgebildeten TSVs werden die Leuchtdioden der Funktionsschicht33 mit den Leiterzügen der Verdrahtungsebene kontaktiert und über die CMOS-Schaltung im Substrat31 angesteuert. Das Sensor-Emitter-System30 kann beispielsweise als Bildwandler in Nachtsichtgeräten verwendet werden, indem die Daten des mit dem Sensor32 detektierten IR-Strahlungsbildes mit der CMOS-Schaltung im Substrat31 ausgewertet werden und auf dem Emitter33 ein Strahlungsbild wiedergegeben wird, dass mit einem menschlichen Auge erfasst werden kann. - Ein alternatives Sensor-Emitter-System
40 ist in4 schematisch dargestellt, das zunächst alle Merkmale des Sensor-Emitter-Systems30 aus3 aufweist. Zusätzlich ist jedoch beim Sensor-Emitter-System40 innerhalb des Substrates31 eine Vielzahl von in4 nicht dargestellten dritten Fotodioden ausgebildet, die rasterförmig über die Fläche des Substrates31 verteilt angeordnet sind und mittels denen elektromagnetische Strahlung46 aus dem Ultraviolett-Wellenlängenbereich detektierbar ist. Das Substrat31 ist somit auch noch als Detektor für elektromagnetische Strahlung aus dem UV-Wellenlängenbereich ausgebildet. Das Verschalten der dritten Fotodioden innerhalb des Substrates31 erfolgt mittels der Verdrahtungsebene, die an einer Seite des Substrates31 ausgebildet ist. Mit einem erfindungsgemäßen Sensor-Emitter-System, gemäß4 , lassen sich somit Strahlungsbilder aus zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen mittels der Detektoren31 und32 erfassen und können separat oder auch akkumuliert als Strahlungsbild in einem dritten Wellenlängenbereich mittels des Emitters33 wiedergegeben werden. - Es sei angemerkt, dass die in den
1 bis4 genannten und den einzelnen Detektoren und Emittern zugeordneten Wellenlängenbereiche bezüglich elektromagnetischer Strahlung nur beispielhaft genannt wurden. Den einzelnen Detektoren und Emittern kann aber auch jeder andere beliebige Wellenlängenbereich elektromagnetischer Strahlung zugeordnet werden, der mit bekannten Sensoren detektiert bzw. mit bekannten Emittern emittiert werden kann. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102006030541 A1 [0002]
- WO 2012/163312 A1 [0003, 0003, 0004]
Claims (11)
- Bauteil (
10 ;30 ), umfassend eine erste Funktionsschicht (12 ;32 ), innerhalb der mindestens ein erstes Element ausgebildet ist, mittels dem elektromagnetische Strahlung (14 ;34 ) aus einem ersten Wellenlängenbereich detektierbar ist, wobei die erste Funktionsschicht (12 ;32 ) auf einer Seite eines Substrates (11 ;31 ) abgeschieden ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der gegenüberliegenden Seite des Substrates (11 ;31 ) eine zweite Funktionsschicht (13 ;33 ) abgeschieden ist, innerhalb der mindestens ein zweites Element ausgebildet ist, mittels dem entweder a) elektromagnetische Strahlung (15 ) aus einem zweiten Wellenlängenbereich detektierbar ist, wobei die erste Funktionsschicht (12 ) und das Substrat (11 ) transparent bezüglich elektromagnetischer Strahlung (15 ) aus dem zweiten Wellenlängenbereich sind oder b) elektromagnetische Strahlung (35 ) aus einem zweiten Wellenlängenbereich emittierbar ist. - Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Wellenlängenbereich vom zweiten Wellenlängenbereich unterscheidet.
- Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat als Glas- oder Kunststoffsubstrat ausgebildet ist.
- Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (
11 ;31 ) aus einem Halbleitermaterial besteht und eine Schaltungsstruktur aus aktiven Bauelementen umfasst. - Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (
11 ;31 ) mindestens eine Verdrahtungsebene umfasst. - Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (
11 ;31 ) mindestens eine Durchkontaktierung aufweist. - Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Substrates (
11 ;31 ) mindestens ein drittes Element ausgebildet ist, mittels dem elektromagnetische Strahlung (26 ;46 ) aus einem dritten Wellenlängenbereich detektierbar ist. - Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der dritte Wellenlängenbereich vom ersten und zweiten Wellenlängenbereich unterscheidet und die erste Funktionsschicht (
12 ;32 ) transparent bezüglich elektromagnetischer Strahlung aus dem dritten Wellenlängenbereich ist. - Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der ersten Funktionsschicht (
12 ;32 ), innerhalb der zweiten Funktionsschicht (13 ;33 ) und/oder innerhalb des Substrates (11 ;31 ) eine Vielzahl von jeweils zugehörigen ersten Elementen, zweiten Elementen bzw. dritten Elementen ausgebildet sind, die über die Fläche der jeweiligen Funktionsschicht (12 ;13 ;32 ;33 ) bzw. über die Fläche des Substrates (11 ;31 ) verteilt rasterförmig angeordnet sind. - Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Funktionsschicht (
12 ;32 ) und/oder die zweite Funktionsschicht (13 ;33 ) ein organisches Material umfassen. - Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Funktionsschicht und/oder die zweite Funktionsschicht Nanopartikel umfasst.
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